用于宽带多模多频前端模块中的耦合器的自适应负载的制作方法

本申请要求于2014年5月29日提交的题为“ADAPTIVE LOAD FOR COUPLER IN BROADBAND MULTIMODE MULTI-BAND FRONT END MODULE”的美国临时申请No.62/004,325的优先权，其公开通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及射频(RF)装置中的前端模块。

背景技术：

定向耦合器可以与某些RF装置中的前端模块(FEM)结合使用。FEM中的输出功率控制精度可能受到各种设计和/或操作因素的不利影响。

技术实现要素：

在一些实施方式中，本公开涉及用于与射频(RF)装置中的前端模块一起使用的定向耦合器。某些实施例提供一种定向耦合器，其包含配置为接收RF信号的第一端口，经由第一传输线连接到第一端口且配置为提供RF输出信号的第二端口，以及连接到第二传输线的第三端口，第二传输线耦合到第一传输线。定向耦合器还包含终端电路，其连接到第二传输线，并配置为当所述RF信号在第一频带内时提供第一阻抗，且当所述RF信号在第二频带内时提供第二阻抗。

在某些实施例中，终端电路包含第一无源装置和第二无源装置，所述第一无源装置和第二无源装置配置为在所述第一频带内的频率处谐振。第一无源装置可以是电阻器，且第二无源装置可以是电容器。在某些实施例中，第一无源装置可以是电阻器，且第二无源装置可以是电感器。

在某些实施例中，终端电路还包含与第一无源装置和第二无源装置并联的第三无源装置。第一无源装置可以是电阻器，第二无源装置和第三无源装置中的一个可以是电容器，且第二无源装置和第三无源装置中的另一个可以是电感器。在某些实施例中，第一阻抗和第二阻抗是复阻抗。在某些实施例中，终端电路包含双工器，用于选择性地将第二传输线连接到第一阻抗或第二阻抗。

某些实施例提供了一种射频(RF)系统，其包含配置为在定向耦合器的第一端口上提供RF输出信号的定向耦合器，连接到定向耦合器的第二端口的功率放大器模块，以及连接到定向耦合器的第三端口的功率检测电路。RF系统还包含终端电路，其连接到定向耦合器的第四端口，并配置为当所述RF信号在第一频带内时提供第一阻抗，且当所述RF信号在第二频带内时提供第二阻抗。

终端电路可以包含第一无源装置和第二无源装置，所述第一无源装置和第二无源装置配置为在第一频带内的频率处谐振。第一无源装置可以是电感器，且第二无源装置可以是电容器。在某些实施例中，终端电路还包含与第一无源装置和第二无源装置并联的第三无源装置。在某些实施例中，第一无源装置和第二无源装置中的一个是电容器，第一无源装置和第二无源装置中的另一个是电感器，且第三无源装置是电阻器。

在某些实施例中，第一阻抗和第二阻抗是复阻抗。终端电路可以包含双工器，用于选择性地将第二传输线连接到第一阻抗或第二阻抗。

某些实施例提供了一种无线装置，包含配置为处理RF信号的收发器，与收发器通信且配置为便于RF输出信号的传输的天线，以及配置为向定向耦合器的第一端口上的天线提供RF输出信号的定向耦合器。无线装置还包含连接到定向耦合器的第二端口的功率放大器模块，连接到定向耦合器的第三端口的功率检测电路，以及终端电路，其连接到定向耦合器的第四端口，并配置为当所述RF信号在第一频带内时提供第一阻抗，且当所述RF信号在第二频带内时提供第二阻抗。

终端电路可以包含第一无源装置和第二无源装置，所述第一无源装置和第二无源装置配置为在第一频带内的频率处谐振。例如，第一无源装置可以是电容器，且第二无源装置可以是电感器。在某些实施例中，终端电路还包含与第一无源装置和第二无源装置并联的第三无源装置。

本文公开的某些实施例提供一种用于操作定向耦合器的过程，所述过程包含：在定向耦合器的第一端口上接收射频(RF)信号，经由第一传输线向连接到第一端口的定向耦合器的第二端口提供RF信号的至少第一部分，以及将RF信号的至少第二部分耦合到第二传输线，第二传输线连接在定向耦合器的第三端口和第四端口之间。所述过程还可以包含提供终端电路，其在第三端口或第四端口连接到第二传输线，并配置为当所述RF信号的第二部分在第一频带内时提供第一阻抗，且当所述RF信号的第二部分在第二频带内时提供第二阻抗。

附图说明

为了说明的目的，在附图中绘示了各种实施例，并且不应当以任何方式将其解释为限制本发明的范围。此外，不同的公开的实施例的各种特征可以组合以形成作为本公开的一部分的附加实施例。贯穿附图，参考标记可以重复使用，以指示参考元件之间的对应。

图1是根据一个或多个实施例的用于RF装置的前端模块(FEM)的框图。

图2是根据一个或多个实施例的定向耦合器的框图。

图3是示出根据一个或多个实施例的“菊花链”配置中的多个定向耦合器的框图。

图4根据一个或多个实施例的功率放大器FEM的框图。

图5是示出根据一个或多个实施例的RF系统的可能的耦合器误差负载牵引结果的图。

图6是示出根据一个或多个实施例的自适应负载电路的图。

图7是示出根据一个或多个实施例的自适应负载电路的图。

图8是根据一个或多个实施例的并入了定向耦合器的前端模块的框图。

图9示意性地绘示了根据一个或多个实施例的无线装置。

具体实施方式

本文提供的标题仅是为了方便，并不必然影响要求保护的发明的范围或含义。本文公开了涉及用于前端模块中的定向耦合器的自适应负载的示例配置和实施例。

近年来，与移动互联网和多媒体服务相关联的需求和使用已经显著地扩大。移动网络浏览、音乐和视频下载/流化、视频电话会议、社交网络、游戏、广播电视、以及其他移动服务是常见的移动互联网使用的示例。为了适应这些移动连接应用，已经开发了各种高级移动装置，包含智能电话、PDA、上网本、平板PC和数据卡，等等。

移动装置可以配置为支持各种无线标准，例如包含，3G WCDMA/HSPA和4G LTE标准，且还可以配置为支持与旧有的2G GSM和2.5G GPRS/EDGE标准的向后兼容性。另外，这样的装置可以支持多个频带，且可以在被要求这样做的同时维持相对低的成本和/或尺寸。移动装置的增加的复杂性会导致关于前端模块(FEM)部件(例如滤波器、开关和/或功率放大器模块(PAM))的设计的更苛刻的要求。例如，手机和其他移动装置的中的某些PAM被设计为适应四频带GSM/GPRS/EDGE PAM加上一个或多个单模单频带3G PAM。在某些实施例中，FEM/PAM可以配置为支持所有相关的空中接口标准，同时覆盖所有相关的频带。

设计为提供多频带多模功能的前端模块可以包括设计为适应这样的功能的各种部件。图1提供了用于RF装置(例如无线装置)的前端模块(FEM)100的实施例的图示，其可以实现本文所述的一个或多个特征。FEM 100可以是多模多频带(MMMB)前端模块。FEM 100可以包含发送(TX)和/或接收(RX)滤波器的组件102。FEM 100还可以包含一个或多个开关电路104。在一些实施例中，可以由控制器106执行或便利于开关电路104的控制。FEM 100可以配置为与一个天线通信，或与多个天线通信。在一些实施方式中，FEM 100可以包含在RF装置(例如无线装置)中。FEM可以以本文描述的一个或多个模块形式、或以它们的一些组合直接实现在无线装置中。在一些实施例中，这样的无线装置可以例如包含蜂窝电话、智能电话、具有或不具有电话功能的手持无线装置、无线平板、无线路由器、无线接入点、无线基站、可穿戴无线计算装置，等等。

FEM 100包含耦合到一个或多个定向耦合器101的一个或多个放大器108或放大器模块。定向耦合器可以在射频(RF)功率放大器应用中使用，用于将传输线中的发射功率的一部分通过另一端口耦合出一定的量。在下文进一步详细描述的微带或带状线耦合器的情况下，这样的耦合通过以下方式来实现：使用足够紧密地设置在一起的两个传输线，使得通过一个的能量耦合到另一个。通常来说，用于手机的功率耦合和控制架构可以分为两个主要的组：直接检测和间接检测。间接功率检测测量DC特性，而不直接评估RF输出功率。与间接检测相关联的相对简单的电路可以提供较低成本和/或较小尺寸的解决方案。与间接检测相关联的相对简单的电路可以提供较低成本和/或较小尺寸的解决方案。然而，在某些实施例中，由于不可预测的天线负载条件，间接检测系统会遭受控制精度问题。与之相对，直接功率检测监测RF波形本身，并且通常要求定向耦合器和相关的设计复杂性。耦合器可以用分立部件来实现，或者嵌入在印刷电路板上。

如图2所示，定向耦合器201可以包含四个端口，即输入端口、发送端口、耦合端口和隔离端口。如本文所使用的，术语“主线”可以指在输入端口和发送端口之间的耦合器的传输线部分210。如本文所使用的，术语“耦合线”可以指平行于主线210、并且在耦合端口和隔离端口之间行进的传输线部分220。

尽管在图2中将各种端口示出为特定配置，但定向耦合器端口可以采取其他配置，同时仍然提供耦合功能。也就是说，图2的各种标注在某些应用中可以被认为是任意的。例如，任何给定的端口可以被认为是输入端口，其中直接连接的端口变为发送端口，相邻的端口变为耦合端口，对角线端口变为隔离端口(例如，对于带状线和/或微带耦合器)。

可以在耦合器的输入端口从某种类型的RF发生器提供输入射频(RF)信号。例如，输入信号可以至少部分地由耦合到输入端口的一个或多个功率放大器装置驱动。所述输入信号的大部分可以经由耦合器201的主臂210传送到耦合到发射端口的信号接收器，并且信号的一部分(例如。对于20dB耦合器，信号的1％)可以经由耦合臂220提供给耦合到耦合端口的检测器。充当RF发生器、信号发送信号接收器和检测器的装置及其配置可以取决于使用耦合器201的系统。例如，将输入信号提供给输入端口的RF发生器可以是功率放大器、开关、收发器、或者期望从其输出信号进行采样(例如，在耦合端口)的任何其他装置。发送的信号可以例如由开关、另一功率放大器、天线、滤波器和/或诸如此类来接收。通过在耦合端口处提供RF输入信号的样本，耦合器201可以提供用于测量RF输入信号的机制。耦合端口可以连接到任何期望类型的检测器，例如传感器或反馈控制器，其被配置为使用在耦合端口检测到的信号，以向系统提供信息和/或调整/控制RF输入信号。

隔离端口可以端接内部或外部匹配的负载，例如50Ohm或75Ohm负载。然而，当发送端口不理想和/或耦合器方向性有限时，将耦合器隔离端口端接50Ohm可能不能提供理想的耦合器性能。因此，本文所公开的某些实施例提供复阻抗终端电路，其可以适于提供期望的耦合器性能。另外，终端电路可以适配为不同频带和/或操作模式提供不同的负载阻抗，其中多个操作频带被包含在单个功率放大器模块中。例如，由于空间或其它考虑，多个操作频带可以共享单个定向耦合器。在某些实施例中，由于耦合器输出端口的阻抗随着频率、双工器和天线开关模块(ASM)变化，多模多频带(MMMB)FEM与双工器级联(cascade)会遭受在一个或多个频带显著地劣化的检测器误差。因此，定向耦合器在多个频带上的精度可能是重要的考虑。

如图3所示，MMMB FEM可以使用“菊花链”配置的一个或多个定向耦合器。在某些实施例中，用于无线装置(例如蜂窝电话手机)的多频带和多模架构提供使用“菊花链”定向耦合器跨多个频带共享的功率检测。这样的配置可能需要具有高方向性以及跨不同频带的基本相似的耦合因子的耦合器。在菊花链配置中，如图3所示，定向耦合器(例如，高频带耦合器303)的终端端口可以电连接到第二定向耦合器(例如，低频带耦合器305)的耦合端口，使得两个耦合器共享终端阻抗。尽管在图3中仅示出了两个定向耦合器，但是本文所公开的原理可以用于包括任何数量的耦合器(例如三个或更多个)的配置中。本文所公开的耦合器隔离电路的实施例可以用于为多个菊花链耦合器提供共享的隔离。

WCDMA、GSM/EDGE和/或其他类型系统的功率控制要求可能在功率放大器(PA)前端模块(FEM)设计中带来挑战。例如，尽管输出功率控制精度通常是一个清晰定义的设计规范，但直到产品开发周期的后期，控制带宽、开关频谱和失配负载的相互作用往往没有得到充分研究；这些关注通常是在接近设计周期结束才制定的最后几个设计规范之中。现有技术的多模和多频带手机PA FEM在不匹配的负载下可能需要超过40dB的动态范围，和例如+/-0.5dB的功率控制精度。

图4示出了具有定向耦合器401的功率放大器FEM的实施例。所示的系统可以对应于具有用于输出功率检测和控制的定向耦合器的通用功率放大器FEM。这样的FEM可以适用于GSM/EDGE(例如，在定向耦合器401之后具有开关)或WCDMA(例如，在定向耦合器401之后具有双工器)。相关联的天线/失配负载在本文中可以表示为Γ_L，且耦合器终端402在本文中可以表示为Γ_CT。

4端口定向耦合器系统401可以由以下等式表示，其示出了一般的4端口散射矩阵：

在某些PA FEM系统实施例中，耦合端口(端口3)可以匹配到50-ohm耦合终端，从而为了简单起见可以认为a3等于0。因此，矩阵可以被简化如下：

其中b2表示RF OUT(端口2)的正向电压波，b3表示用于PA FEM功率控制的耦合端口处的正向电压波。当负载变化时，系统可以调整a1以维持b3，其可以指用50欧姆负载(即，Γ_L＝0)测量的b3值。

耦合器方向性可以由以下等式限定：

上面的散射矩阵可以简化如下：

如果Γ_L系数接近零，则b2可能不受负载变化(或Γ_L)影响。在下面的等式中，Γ_L系数等于零：

以及

上面Γ_CT的等式的意义在于可以采用Γ_CT(即，耦合器隔离端口的终端)来偏移非理想因子(主要是非理想的S22和有限方向性D)。Γ_CT等于零(例如，在耦合器隔离端口的50ohm终端)因此可能不是最佳选择，如果S22·0。换言之，如果RF输出端口不完美，则50欧姆耦合器终端可能不是最佳选择。

为了解决真实的50或75欧姆终端阻抗的所述不足，可以使用调谐的复阻抗来改善耦合器性能。在某些实施例中，两个独立的调谐器可用于系统地调谐耦合器终端并最小化功率变化。例如，一个调谐器可以位于耦合器终端端口，另一个可以位于负载端口。适当的耦合器终端Γ_CT可以减少由非理想S22和耦合器方向性引起的功率变化。在某些实施例中，定向耦合器的隔离端口的复杂负载被用于补偿PAFEM中的某些非理想因素。

耦合器终端模块402可以包括一个或多个无源器件，例如电容器和/或电感器，其可以基于由这样的装置呈现的频率相关的阻抗来提供无源频率选择性阻抗。在另一实施例中，耦合器终端可以包含双工器407，用于主动地选择具有用于不同的操作频带的不同的阻抗的电路。

在某些实施例中，电阻器-电容器(RC)电路、电阻器-电感器(RL)电路、和/或RLC电路可以用于为定向耦合器件提供复终端。图5示出了RF系统的可能耦合器误差负载牵引结果。例如，图5的曲线图可以对应于在RF输出端口的大约2.5的VSWR值和双工器失配。曲线图提供了在耦合器终端端口的平面的耦合器误差轮廓。下轮廓510示出了低频带(LB)性能的耦合器误差轮廓。曲线图示出了在由参考标记m15标识的复阻抗处的低频带性能的大约0.34的最佳优化误差。上轮廓520示出了高频带(HB)性能的耦合器误差轮廓。曲线图示出了在由参考标记m20标识的复阻抗处的高频带性能的大约0.14的最佳优化误差。

可以利用以下过程使用例如一个800MHz频带(LB)耦合器和一个1.98GHz频带(HB)耦合器来调谐复终端阻抗：可以创建块(lump)耦合器模型(例如，菊花链)，并对具有标准50Ohm终端阻抗的高频带和低频带性能进行仿真。负载牵引结果可以用于找到每个频带的优化负载。可以构建自适应负载，以匹配高频带和低频带的优化的性能结果。一旦将自适应复杂负载应用于系统，可以验证结果以确认相对于50Ohm性能的改善的性能。虽然以2频段系统的背景描述了某些实施例，但自适应耦合器负载可以应用于容纳任何数量的操作频带的系统。

图6提供了用于为多个频带提供减小的耦合器误差的自适应负载电路的示例。电路600包含电容器601、电阻器602和电感器603。由于电感器和电容器具有频率变化的阻抗，所以电路600的阻抗可以针对不同频率的信号而变化。因此，可以选择电容器601、电阻器602和/或电感器603的值，以实现对于感兴趣的频带所期望的复阻抗。在某些实施例中，电容器601配置为在某些感兴趣的频率与电感器603谐振，以提供所期望的阻抗。图7示出了简化的阻抗电路700，其包含与电阻器702并联的单个电容器或电感器701(示出为电容器)。如图所示，阻抗电路600、700还可以包含一个或多个串联装置，例如电感器和/或电容器。

图8是并入了定向耦合器801的多模多频带(MMMB)前端模块的框图，定向耦合器801可以连接到终端电路以提供如本文所述的自适应复阻抗。模块801可以包含用于容纳任何期望数量的操作频带的电路，如上面更详细地讨论的。

本文所公开的各种实施例提供了用于为RF FEM中的定向耦合器开发宽带终端的解决方案，以自适应地匹配多个操作频带。本文所公开的解决方案可以为MMMB中的多个频带中的每一个提供改善的耦合器误差性能。在某些实施例中，可以在+/-0.6dB的范围内对低频带和高频带性能中的至少一个实现改进。

无线装置实施方式

在一些实施方式中，具有本文所述的一个或多个特征的装置和/或电路可以包含在RF装置(例如无线装置)中。这样的装置和/或电路可以以本文所述的模块形式、或以它们的一些组合直接实现在无线装置中。在一些实施例中，这样的无线装置可以例如包含蜂窝电话、智能电话、具有或不具有电话功能的手持无线装置、无线平板、等等。

图9示意性地描绘了示例无线装置900，其具有本文所述的一个或多个有利特征。在如本文所述的各种开关以及各种偏置/耦合配置的上下文中，开关120可以是模块的一部分。在一些实施例中，这样的开关模块可以例如便于实现无线装置900的多频带多模式操作。

在示例无线装置900中，具有多个功率放大器(PA)的PA模块916可以(经由双工器920)向开关120提供放大的RF信号，并且开关120可以将放大的RF信号路由到天线。PA模块916可以从收发器914接收未放大的RF信号，收发器914可以以已知的方式配置和操作。收发器还可以配置为处理接收的信号。收发器914被示为与基带子系统910交互，基带子系统910配置为提供适合于用户的数据和/或语音信号与适合于收发器914的RF信号之间的转换。收发器914还被示出为连接到电力管理部件906，电力管理部件906配置为管理用于无线装置900的操作的电力。这样的电力管理部件还可以控制基带子系统910的操作。

基带子系统910被示出为连接到用户接口902，以便于向用户提供和从用户接收语音和/或数据的各种输入和输出。基带子系统910还可以连接到存储器904，存储器904配置为存储数据和/或指令，以便于无线装置的操作，和/或为用户提供信息的存储。

在一些实施例中，双工器920可以允许使用公共天线(例如，924)同时执行发送和接收操作。在图9中，接收的信号可以被路由到“Rx”路径(未示出)，其可以例如包含低噪声放大器(LNA)。

许多其他无线装置配置可以利用本文所述的一个或多个特征。例如，无线装置不一定是多频带装置。在另一示例中，无线装置可以包含例如分集天线的附加天线、以及例如Wi-Fi、蓝牙和GPS的附加连接特征。

如本文所述，无线装置900包含由自适应负载903端接的一个或多个定向耦合器901。虽然已经描述了MMMB前端模块的各种实施例，但是对于本领域普通技术人员显而易见的是，更多的实施例和实施方式是可能的。例如，集成FEM的实施例可应用于并入了各种FEM部件的不同类型的无线通信装置。此外，FEM的实施例可应用于需要紧凑、高性能设计的系统。本文所述的一些实施例可以结合例如移动电话的无线装置来使用。然而，本文所述的一个或多个特征可以用于利用RF信号的任何其他系统或设备。

除非上下文清楚地要求，否则贯穿本说明书和权利要求书中的词语“包括”、“包含”等被解释为包容性的含义，而不是排他或者穷举的含义；也就是说，是“包括，但不限于”的含义。词语“耦合”，如本文通常使用的，是指两个或多个元件可以直接连接，或者通过一个或多个中间元件连接。另外，词语“本文”、“上述”、“下文”以及类似的词语，当在本申请中使用时，应指本申请的整体而并非指本申请的任何特定部分。当上下文允许时，上述具体说明中使用的单数或复数的词语也可以分别包括复数或者单数。关于两个或多个项目的列表的词语“或者”，这个词语涵盖了词语的所有下列解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目、以及列表中的项目的任意组合。

本发明的实施例的上述详细描述不旨在穷举或限制本发明为上述公开的精确形式。虽然为了说明的目的，在上面描述了本发明的具体实施例和示例，但如相关领域的技术人员将认识到的，在本发明的范围内的各种等效修改方式是可能的。例如，尽管过程或者方框以给定的顺序呈现，但是替代的实施例可以以不同的顺序执行具有步骤的例程、或使用具有多个方框的系统，并且一些过程或方框可以被删除、移动、增加、细分、组合、和/或修改。这些过程或者方框中的每一个可以以各种不同的方式执行。同样，尽管过程或者方框在时间上示出为连续执行，但是这些过程或者方框可以替代为并列执行，或者在不同时间执行。

本文提供的本发明的教导可以应用于其他系统，而不必是上述系统。上述各个实施例的元件和动作可以组合以提供另外的实施例。

虽然本发明的一些实施例已被描述，这些实施例仅以示例提出，并且不旨在限制本发明的范围。事实上，本文所述的新颖的方法和系统可以以各种其他形式体现；此外，在不脱离本发明的精神的情况下，可以对本文所述的方法和系统的形式进行各种省略、替代和改变，所附权利要求及其等价物旨在覆盖这些形式或变型以落入本公开的范围和精神内。